ECAP制备TWIP钢的研究

论文摘要

等通道转角挤压（Equal Channel Angular pressing-ECAP）是制备超细晶金属材料的重要方法之一。不同结构不同层错能的金属材料在ECAP过程中的晶粒细化机制不尽相同。本文以新型汽车用孪生诱导塑性（TWIP）钢（30Mn-3Si-3Al）为原材料,进行了室温多道次ECAP变形,并进行了ECAP试样的退火试验,同时对TWIP钢不同形变量组织进行连续显微观察。系统研究ECAP过程中TWIP钢的结构演化、ECAP+退火工艺对组织和性能的影响以及TWIP效应过程。TWIP钢在室温下进行1-4道次ECAP变形。经1道次变形后,产生大量10-40 nm宽的形变孪晶,同时出现的微观剪切带对孪晶进行了切割。随着道次的增加,孪生系统增多,形变孪晶相互交割,孪晶板条出现弯曲和断裂；同时剪切带的数量和宽度都增加,产生相互交错并切割孪晶板条,使基体的细化面积增大。4道次变形后,组织变成由碎化带和割裂开的孪晶相互交织的变形结构。碎化部分超细晶晶粒尺寸为40-120 nm,而未碎化孪晶板条宽度降至5～20nm。对比研究原始态、一道次挤压态和经850℃与1000℃退火处理后的微观结构和力学性能。试验结果表明：在变形过程中,由于形变孪晶的相互变形阻力和位错在形变孪晶界的大量塞积,使得TWIP钢表现出很高的加工硬化率。ECAP-1P+850℃×1h空冷处理,可在塑性略微降低的情况下,有效提高TWIP钢强度；ECAP-1P+1000℃×1h空冷处理,在强度不变的情况下塑性较初始态有一定提高。两种处理工艺都可提高TWIP钢的综合拉伸性能。对于850℃退火态,由于晶粒尺寸较小,增加了阻碍位错运动的有效界面,从而提高了加工硬化能力；1000℃退火态,晶粒已完全长大,大晶粒尺寸增加了位错沿孪晶界方向的通道长度,加大了动态回复几率,从而使材料表现出比初始态稍低的加工硬化能力和稍高的塑性。对不同形变量下TWIP钢内部组织连续观察发现：在形变量为5%时,晶粒内出现大量的位错,无孪生现象发生；在形变量为10%时,金相下可以观察到片条状类似孪晶组织出现,TEM观察发现晶粒内部位错密度更高；在更大变形量下,形变孪晶大量产生,出现不同孪生系统的相互交割以及二次孪生现象,晶粒被孪晶分割成胞状组织。大变形下,组织中出现少量的剪切碎化带。对比分析各形变量下组织情况可以发现TWIP效应过程主要有如下几点：（a）孪晶对位错的阻塞作用,提高了局部加工硬化能力,使应变向其他较低区域转移；（b）孪晶与孪晶的作用：孪晶的形成增加了后续孪晶的阻力,其次多套孪生系统有效的对晶粒进行了分割,增加了孪晶界面,从而提高了加工硬化能力；（c）孪生过程本身具有一定的型变量；（d）大应变下出现的剪切碎化带有利于孪晶位向的改变,从而增加变形量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 TWIP钢的研究现状
• 1.1.1 TWIP钢的合金化原理
• 1.1.2 Fe-Mn-（Al,Si）TRIP/TWIP性能
• 1.1.3 TWIP的形变特点
• 1.2 等径角挤压变形（ECAP）技术特点及影响因素
• 1.2.1 ECAP的技术特点
• 1.2.2 ECAP的影响因素
• 1.3 ECAP变形的晶粒细化机制
• 1.3.1 位错细化机制
• 1.3.2 孪晶细化机制
• 1.3.3 相变细化机制
• 1.4 孪晶及其对材料力学性能的影响
• 1.4.1 孪晶分类
• 1.4.2 孪生引起的形状变化
• 1.4.3 形变孪晶及其影响因素
• 1.4.4 孪晶对强度的影响
• 1.4.5 孪晶对塑性及加工硬化的影响
• 1.5 选题背景、目的和意义
• 第二章 样品制备与试验方法
• 2.1 试验材料及制备过程
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 材料的制备过程
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 显微组织观察
• 2.2.2 性能测试
• 2.2.3 取样说明
• 第三章 ECAP过程中TWIP钢的组织演变
• 3.1 引言
• 3.2 试验结果与分析
• 3.2.1 光学显微结构与硬度分析
• 3.2.2 TEM微观结构分析
• 3.3 讨论
• 3.3.1 形变孪晶的演化和相互作用
• 3.3.2 剪切带的演化
• 3.4 本章小结
• 第四章 退火对ECAP后TWIP钢结构与性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 试验结果与分析
• 4.2.1 微观组织分析
• 4.2.2 力学性能分析
• 4.3 讨论
• 4.3.1 孪晶对加工硬化的影响
• 4.3.2 晶粒大小对加工硬化的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 TWIP效应分析
• 5.1 引言
• 5.2 实验设计与过程
• 5.3 试验结果
• 5.3.1 金相组织对比
• 5.3.2 TEM结构对比
• 5.4 分析与讨论
• 5.4.1 组织演变
• 5.4.2 TWIP效应过程
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结及进一步研究建议
• 6.1 全文总结
• 6.2 进一步研究建议
• 参考文献
• 攻读学位期间所承担的科研任务与主要成果
• 致谢